3.2 E NSAIOS DCB
3.2.1 Geometria, fabrico e teste dos provetes DCB
Para os ensaios DCB foram produzidos 18 provetes, 6 para cada adesivo diferente. As dimensões teóricas para preparação dos provetes são as apresentadas na Figura 36 e na Tabela 7.
Figura 36 – Representação esquemática dos provetes DCB (Constante 2014)
Tabela 7 – Dimensões teóricas dos provetes DCB em mm (Constante 2014)
Comprimento do provete, L 143
Largura do provete, B 27
Espessura do substrato, h 3
Espessura do adesivo, tA 1
Comprimento da pré-fenda, a0 3
Os substratos foram cortados em tiras a partir de chapa de alumínio de espessura 3 mm. Na preparação dos substratos o objetivo principal é garantir uma boa ligação entre o adesivo e os substratos de forma a que a rotura seja preferencialmente coesiva. É essencial uma preparação correta da superfície de granalhagem para obter uma superfície limpa e molhável, e garantir uma manutenção da integridade a longo prazo das juntas coladas (da Silva et al. 2007). No presente trabalho os substratos foram desengordurados com acetona. Seguidamente, as tiras de alumínio foram granalhadas a seco com óxido de alumínio, um abrasivo em pó com alto poder de limpeza, elevada tenacidade e dureza. A granalhagem foi executada no laboratório do ISEP utilizando uma máquina CIDBLAST RT6S (Figura 37). Este processo consiste na projeção do pó de alumínio sobre as tiras, de ambos os lados. Embora a colagem só seja executada numa das superfícies dos substratos, a projeção de ambos os lados é importante para aliviar as tensões e empenos do material. Para terminar a preparação, os substratos foram bem limpos com ar comprimido e novamente desengordurados com acetona até o papel embebido em acetona não apresentar mais sujidade, efetuando várias passagens (Constante 2014).
Figura 37 – Granalhadora CIDBLAST, modelo RT6S (Constante 2014)
De modo a garantir 1 mm de espessura de adesivo ao longo dos provetes, foram utilizados espaçadores calibrados na extremidade colada dos provetes e na zona da pré-fenda (Figura 38).
Figura 38 – Representação esquemática da localização dos espaçadores (Constante 2014)
O espaçador utilizado na extremidade colada dos provetes foi uma fita de aço calibrada com espessura de 1 mm e a largura do provete. O outro espaçador que viria a garantir o valor de
tA, assim como a pré-fenda do adesivo, é baseado no trabalho de Lee et al. (2004), em que o espaçador consiste numa lamina de barbear de 0,1 mm no meio de duas fitas de aço calibradas com 0,45 mm. A coesão do conjunto é garantida com cola de cianocrilato, ficando o cortante saliente de forma a criar a pré-fenda. Utilizou-se o desmoldante Loctite® 770-NC antes da colocação dos espaçadores para garantir a fácil remoção após a cura de adesivo (Figura 39).
Figura 39 – Fabrico do espaçador frontal (Constante 2014)
Após um estágio de 15 minutos no forno a 100ºC, o desmoldante foi aplicado nos espaçadores em três camadas. O correto início de pré-fenda foi garantido colocando o espaçador a 50 mm de uma das extremidades do substrato inferior (Figura 40).
Figura 40 – Substrato inferior com os espaçadores colocados (Constante 2014)
Para a preparação do Araldite® AV138, juntou-se a resina com o endurecedor num recipiente, mexendo durante 3 minutos até que a mistura se torne homogénea. Com os substratos pré-preparados, este adesivo foi aplicado manualmente com uma espátula, pela zona de colagem do substrato.
A deposição do adesivo Araldite 2015® foi efetuada com recurso à pistola de aplicação, sob a forma de linhas paralelas transversais ao provete, com espaços reduzidos entre linhas transversais de modo a não potenciar espaços ocos após a montagem do substrato superior. Os dois componentes do adesivo Sikaforce® 7752, resina e endurecedor, foram pesados uma balança digital, misturados num recipiente, mexendo até a mistura se tornar homogénea. A aplicação foi feita manualmente, com espátula, espalhando o adesivo pelo substrato de modo a que não fiquem espaços ocos (Azevedo 2014).
Os substratos foram colocados em réguas de madeira para facilitar a colagem, e assim possibilitar a colocação de grampos de aperto. Também foram separados em três grupos, um
bolhas de ar entre os substratos e garantir que o adesivo envolve a zona onde se encontra previamente colocado o espaçador com a lâmina de barbear, de modo a que a pré-fenda fique devidamente criada.
Após a aplicação do adesivo no substrato inferior, o substrato superior é colocado por cima do adesivo, cuidadosamente, pressionando-se para evitar a formação de porosidades, vazios na camada de adesivo e garantir um valor de tA de 1 mm ao longo de todo o provete. Os provetes firam fixos a réguas de madeira com grampos para que a espessura de adesivo não sofra alterações durante a cura, assim como demonstra a Figura 41.
Figura 41 – Provetes DCB em fase de colagem, com colocação de grampos para aplicação de pressão durante a cura (Constante 2014)
Durante o processo de cura, os provetes ficaram à temperatura ambiente durante 1 semana. Para finalizar a preparação dos provetes, após a cura retira-se os espaçadores com a lâmina, assim como o excesso de adesivo. Utilizou-se um alicate para retirar o excesso de adesivo mais grosseiro das faces laterais dos provetes e uma mó na furadora de coluna para acabamento (Figura 42 e Figura 43, respetivamente).
Figura 43 – Limpeza com mó do excesso de adesivo de um provete DCB (Constante 2014)
Para executar o ensaio dos provetes DCB é necessário um sistema que permita a tração dos substratos na direção transversal aos provetes de modo a que, durante o ensaio, não se crie momento fletor nos pontos a serem tracionados. Para tal, utilizou-se dobradiças coladas na extremidade dos substratos dos provetes. A preparação das zonas de colagem das dobradiças foi semelhante à preparação executada para colar produzir o provete. O adesivo para colar as dobradiças não carece de cuidados especiais. O procedimento de aplicação foi semelhante aos demais adesivos, utilizando uma espátula para espalhar do adesivo e removendo o excesso de adesivo de modo a não colar os dois substratos.
De forma a evidenciar melhor a propagação da fenda ao longo do ensaio, pintou-se uma das faces laterais com corretor branco (Figura 44). Para utilização do método ótico necessário à medição dos parâmetros relevantes para a análise a efetuar, nessa mesma face colaram-se duas escalas e fez-se coincidir o início da fenda com os 10 mm da escala (Figura 45). A fenda é propagada manualmente entre 1 e 2 mm antes da colagem da escala, para garantir o início suave da mesma durante o ensaio.
Tabela 8 – Dimensões efetivas dos provetes DCB (Campilho et al. 2014, Constante 2014) Adesivo Provete Comprimento
L [mm] Largura B [mm] Espessura h [mm] Pré-fenda a0 [mm] Araldite® AV138 AV_1 143,06 / 143,03 27,05 / 26,94 3,03 / 3,03 49,35 AV_2 143,06 / 143,08 26,81 / 26,55 3,02 / 3,01 47,26 AV_3 143,07 / 143,13 26,89 / 26,77 3,06 / 3,01 46,43 AV_4 143,03 / 143,34 26,93 / 26,90 3,01 / 3,02 47,84 AV_5 143,06 / 143,13 26,91 / 26,95 3,02 / 3,03 45,89 AV_6 143,19 / 143,08 26,90 / 27,05 3,01 / 3,04 46,89 Araldite® 2015 A2_1 143,06 / 143,02 27,02 / 26,73 3,06 /3,06 46,68 A2_2 143,07 / 143,13 26,82 / 26,81 3,01 / 3,03 47,35 A2_3 143,12 / 143,12 26,91 / 26,88 3,03 / 3,00 47,40 A2_4 143,02 / 143,11 26,89 / 26,89 3,02 / 3,04 46,37 A2_5 143,10 / 143,00 26,98 / 27,02 3,01 / 3,02 46,92 A2_6 143,04 / 143,04 27,03 / 26,86 3,03 / 3,00 46,06 Sikaforce® 7752* SF_1 143 27 2,9 54,26 SF_2 55,63 SF_3 57,05 SF_4 55,09 SF_5 55,11 SF_6 55,39
*os valores L, B e h não foram medidos individualmente
Antes dos ensaios, os provetes foram medidos utilizando um paquímetro digital, assim como expressa a Tabela 8. Foram realizadas duas medições de L, B e h em posições limite dos provetes, consideradas nos tratamentos dos dados subsequentes aos ensaios, através do seu valor médio.
Os provetes DCB foram ensaiados numa máquina servo-hidráulica Shimadzu AG-X 100 equipada com uma célula de carga de 100 kN no Laboratório de Ensaios Mecânicos do ISEP. A gravação dos dados foi realizada a 5 Hz e foram retiradas as curvas P-δ. Foi instalada uma câmara fotográfica a 100 mm do provete para captura de fotos com intervalo de 5 s durante o ensaio até uma propagação de fenda de aproximadamente 35 mm (Figura 45).
Figura 45 – Face lateral do provete capturada pela câmara (Constante 2014)
Este procedimento permite correlacionar os dados de P e δ com a e θ0, que são necessários para a obtenção de GIc pelo integral-J. Esta correlação é feita pelo instante de tempo correspondente a cada imagem e a velocidade de ensaio dos provetes (Campilho et al. 2013, Campilho et al. 2014).
Para determinar os parâmetros δn e θ0 utilizou-se um método ótico. Para determinada imagem necessita-se de oito pontos no provete, indicados na Figura 46: dois pontos (p1, p2) para medir a abertura normal na ponta da fenda (tACT) durante a aplicação da carga em unidades de imagem (pixels), dois pontos (p3, p4) que definem um segmento de reta na imagem para a qual o comprimento (d) é conhecido em unidades SI (mm), dois pontos (p5,
p6) no substrato superior e dois pontos (p7, p8) no substrato inferior.
Figura 46 – Identificação dos pontos para determinar os parâmetros δn e θ0
Para aplicação do método ótico recorreu-se ao registo fotográfico utilizando uma câmara fotográfica digital Canon EOS 650D com uma resolução de 18 megapixels, processador de imagem DIGIC 5, sistema de focagem automática de 9 pontos e lente EF-S de 18 a 55 mm. A identificação dos pontos é auxiliada pelas réguas coladas nos provetes. Os oito pontos da primeira foto de um ensaio são identificados manualmente utilizando um software. Nas seguintes fotos, os pontos são identificados por um algoritmo em Matlab® de forma automática (Campilho et al. 2013, Campilho et al. 2014). De um modo geral, para cada ponto
(u,v) na imagem seguinte (I) cuja correlação cruzada normalizada () com o modelo é maior. A é uma medida de semelhança entre duas imagens em tons de cinza que não é sensível a mudanças lineares de iluminação e que quantifica a correlação entre níveis de cinza da região de duas fotos (Campilho et al. 2013, Campilho et al. 2014). Este método de semelhança foi escolhido pela sua baixa complexidade computacional, devido à alta resolução das fotos, e é possível de utilizar por causa das pequenas mudanças na rotação da escala dos provetes entre duas fotos consecutivas (separadas por 5 segundos (s)). O valor de γ do modelo de imagem t com a posição (u,v) da foto é definido por
, ,
0,5 2 2 , , , , . , , , . , u v x y u v x y x y f x y f t x u y v t u v f x y f t x u y v t
, (8)onde f é a região da imagem I , com o mesmo tamanho de t, centrada na posição (u,v). O cálculo de para todos os pixéis da imagem I resulta numa matriz, cujo máximo valor absoluto permite obter a região em I com a maior correlação com t e, como tal, a localização mais provável de pi na imagem seguinte. Depois de identificados todos os pontos na segunda foto, são definidos os novos padrões para pesquisar os oito pontos na terceira foto, e assim consecutivamente até à análise de todas as fotos.
No cálculo de δn torna-se necessário determinar o valor de tACT em unidades do SI. O seu valor em milímetros é dado por
1 2 CT A 3 4 p p t d p p . (9)
A distorção da lente é desprezável para fotos obtidas com câmaras digitais modernas (Campilho et al. 2013). Em todos os ensaios dos provetes foi fotografada uma região com o comprimento de aproximadamente d=45 mm, conforme mostra a Figura 47.
Em média, o tamanho do pixel era de 0,024 mm e, deste modo, o erro máximo estimado do processo de aquisição de imagens é de ± 0012 mm. Finalmente n pode ser definido como
CT
n tA tA
. (10)O valor de θ0 é calculado como o ângulo formado pelas retas l1 e l2, conforme mostra a Figura 48. As retas são diretamente definidas pelos pontos (p5, p6) e (p7, p8), respetivamente. Para minimizar as flutuações do processo e aumentar a resolução da deteção dos pontos, foi utilizado um algoritmo de processamento de imagem para traçar a reta no meio da aresta da régua que contém o par dos pontos (Campilho et al. 2013, Campilho et al. 2014). Com a aplicação de um filtro gaussiano é melhorado o contraste da borda da escala, resultando numa imagem em que os pixels pertencentes às arestas têm alta intensidade, enquanto os restantes são de baixa intensidade. Seguidamente, para as linhas horizontais da imagem entre p5 e p6 é calculado o ponto médio da aresta em cada linha. O primeiro ponto médio é extraído para a linha de p5, e para tal são recolhidos todos os pixels possíveis de alcançar à esquerda e direita de p5 sem deixar cair a intensidade abaixo de um determinado limiar (10% para todos os ensaios). Usa-se uma ponderação da intensidade de todos os pixels recolhidos de modo a que os pixels com mais intensidade, ou seja, os pixels pertencentes à borda da escala, tenham um impacto maior no cálculo do ponto médio da linha. O processo torna-se assim eficaz em relação à desfocagem no método de identificação dos pontos, pelo que os pontos p5 e p6 não necessitam de ser identificados exatamente na linha média da borda. O processo é repetido para todas as linhas seguintes até atingir p6, resultando num ponto de cada linha da imagem entre p5 e p6 que define a linha média da aresta da escala. Como estes pontos não estão necessariamente alinhados, é utilizada uma regressão linear para a obtenção de l1. O mesmo processo é utilizado para os pontos (p7, p8) para obtenção de l2 e, finalmente, é obtido θ0 como o ângulo formado pelas duas retas.
Após a montagem das maxilas na máquina de ensaios rodadas a 45º, procedeu-se à colocação dos provetes na posição em que os ensaios vão ser realizados. A colocação do provete na máquina de ensaios na posição indicada tem como finalidade facilitar o posicionamento e a calibração do meio ótico para capturar as fotografias (Figura 49).
Figura 49 – Provete colocado nas maxilas da máquina de ensaios (Constante 2014)
Conforme já referido, a câmara fotográfica foi fixa a um suporte rígido a uma distância de aproximadamente 100 mm do provete. Houve o cuidado especial de garantir que a câmara estava paralela ao provete e que a distância entre estes era suficiente para garantir fotografar a zona de interesse do provete durante a totalidade do ensaio. A fixação da câmara garante que todas as mudanças entre as fotos do mesmo teste são devidas aos deslocamentos e deformações do provete.